[发明专利]一种基于FPGA的微机接口硬件实验平台

说明书

技术领域

本发明涉及微机接口技术领域，具体涉及一种微机接口硬件实验平台，满足学生在《微机原理与接口课程》的实验要求。

背景技术

《微机原理与接口》课程是目前国内众多高校计算机学科的一门重要专业核心课程，该课程是一个实践性很强的课程，其上机实验和课程设计两个环节是教学的重要环节，因此实验平台的好坏对学生真正掌握微机原理和接口技术有非常大的影响。

目前市场上所见的《微机原理与接口》实验平台从技术角度来讲，主要有下面四种：（1）利用软件来模拟硬件环境，学生在虚拟环境中实验的操作过程。（2）通过标准微机的PCI总线或ISA总线驱动试验箱。对于基于PCI总线，先采用CPLD/FPGA可编程技术设计PCI-ISA总线转换电路。对ISA总线或转换后的ISA总线信号进行驱动，并以DB62形式提供给外部实验箱用。（3）利用单片机或其他非8086CPU类型简单替代或模拟8086CPU。（4）利用8086CPU芯片构造实验平台。

第（1）种方法因为完全让学生在虚拟环境中实验，学生无法接触真正的硬件，所以实验效果很差。第（2）种方法和第（3）种方法在整个实验过程中完全不能脱离和PC的连接和控制，包括实验程序在运行过程中也不能脱离。该两种方法由于其硬件结构所限不支持例如操作系统加载过程、BIOS编程等一些高级实验。第（4）种方法采用了8086CPU来实现，但是由于该CPU和相关联的辅助芯片（例8284芯片）属于上世纪70年代末80年代初的产品，早已停产。只能使用拆机的二手芯片，质量无法保证，也无法量产。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种具有8086CPU完全功能的微机接口硬件实验平台，不仅支持常规的微机原理和接口实验，也支持例如操作系统加载过程、BIOS编程之类的高级实验，该发明克服了现有方法中纯软件模拟或实验过程完全不能脱离标准微机的控制或8086CPU停产无供货的局限。

一种微机接口硬件实验平台，包括核心电路、接口电路和外设电路，外设电路与接口电路经排线相连接，接口电路与核心电路经过排线相连接;核心电路包括FPGA芯片、FPGA配置芯片和晶振，FPGA芯片用于实现8086CPU的功能，FPGA配置芯片用于保存FPGA的配置信息，晶振用于提供FPGA时钟信号；FPGA芯片包括8086CPU核、UART核、ROM和SRAM，8086CPU核均通过数据总线、地址总线和控制总线与UART核、ROM和SRAM相连接，UART核用于串口通信，ROM用于上电后指令跳转至SRAM，SRAM用于存放运行程序，8086CPU核、UART核、ROM和SRAM均采用VHDL硬件描述语言编写。

进一步地，所述FPGA芯片采用XC3S500E芯片，所述FPGA配置芯片采用XCF04SVOG20C配置芯片，所述晶振采用50M晶振。

进一步地，所述外设电路包括LED、拨码开关、AD模块、DA模块、按键、扬声器和FPGA电源转换电路。

进一步地，所述AD模块采用AD0809芯片，所述DA模块采用DA0832芯片。

进一步地，所述接口电路包括8259、8255和8253芯片。

本发明克服国内实验平台所用硬件环境（模拟80x86环境）和教材所讲的硬件环境（真实80x86微机环境）不一样。提供一种完全独立的微机接口实验平台，能够使学生专注于微机接口实验原理的本质理解，开展自主的操作系统实验设计，充分开拓了学生的思维，从而锻炼学生的研发能力和实际动手能力。具体而言，本发明的技术特点及有益效果体现在：

1)用VHDL硬件描述语言在FPGA内部实现了8086CPU核跟UART核使得微机原理实验平台可以脱离PC机完全独立的运行。

2)与传统的实验平台相比，上述实验平台可以实现其它方案实现不了的实验，如操作系统的移植实验以及BIOS实验。

3)该发明在满足常规的微机原理接口技术和相关课程教学要求的同时，还可以使学生深入到硬件底层去了解底层的硬件具体是怎么样工作的。

4)该发明在满足常规的微机原理相关课程教学要求的同时还可以用于学生的课程设计、毕业设计和电子竞赛。

5)该实验平台将核心电路与接口电路用排线进行连接使得电路的结构很清晰，便于学生掌握微机的体系结构。

附图说明

图1是本发明实验平台总体框图；

图2是本发明FPGA芯片内部实现的功能框图；

图3是本发明8086CPU核示意图；